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Equation de Bernoulli et Perte de Charge ´

7.1. L’´equation de Bernoulli et la perte de charge

Reprenons l’´equation de Bernoulli pour un ´ecoulement incompressible et stationnaire : 1

2v2+ p

ρ +gz = Cte = C

Il est commode d’appeler la constante au deuxi`eme membre charge; elle s’exprime sous la forme de l’hauteur d’une colonne du liquide :

H = C

g. (7.1)

Alors que l’´equation de Bernoulli s’applique aux ´ecoulements en fluide parfait, les fluides r´eels sont visqueux et les ´ecoulements sont souvent non uniformes. Par cons´equent, pour l’´ecoulement dans une conduite on utilise la vitesse moyenne U calcul´e `a partir du d´ebit volumique Q divis´e par la section S : U =Q/S.

De plus, dans un ´ecoulement permanent le fluide perd d’´energie pour vaincre les forces de frottement interne (viscosit´e/turbulence) ce qui conduit `a une chute de pression appel´ee perte de charge. Il est commode d’appeler la perte de charge li´ee `a la longueur et la rugosit´e de la conduite ainsi qu’`a la viscosit´e, perte de charge ”lin´eaire” (ou ”lin´eique”) our´eguli`ere Hr. Quand les pertes de charge sont dues aux formes g´eom´etriques de canalisation (coude, t´es, ´elargissement ou contraction brusque, cˆones, joints, clapets, passage `a travers une grille, vanne, robinet, ...) on les appelle perte de charge singuli`ere, Hs.

7.1.1. Coefficient de perte de charge. En g´en´erale et dans la pluspart des cas on trouve exp´erimentalement que les pertes de charge sont proportionnelle au carr´ee de la vitesse moyenne U et s’expriment sous la forme :

(Hr+Hs) =KU2

2g. (7.2)

7.1.2. Lignes de charges : repr´esentation graphique. Pour interpr´eter graphique-ment l’´equation de Bernoulli on pose p = p+ρg qui repr´esente l’´energie potentielle par unit´e de volume dans le champs de pesanteur, g, en presence de la pression p; il s’agit de la charge obtenue au repos. C’est pourquoi on appelle p/ρg charge pi´ezometriqueou ligne pi´ezometriqueen dans lequel p/(ρg) repr´esente la charge due `a la pression et z la charge potentielle.

000000000000000000000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111111111111111 111111111111111111111111111111111111111111111111111 111111111111111111111111111111111111111111111111111

H~

~p1

~p2

~p/ρ

~v2/2g

~v21/2g

~v22/2g

plan de charge; ligne de charge totale

plan de r´ef´erence ligne moyenne ligne pi´ezometrique

Canalisation

~z

~z1

~z1

Figure 7.1. Repr´esantation graphique de charge d’un ´ecoulement dans une conduite.

Figure 7.2. Repr´esantation graphique de charge d’un ´ecoulement `a surface libre.

7.2. ´Equation de la conservation d’´energie

7.2.1. Premier principe de la thermodynamique. Le premier principe de la ther-modynamique affirme que pour un syst`eme ferm´e :

dQ+ dW = dE (7.3)

7.2 ´Equation de la conservation d’´energie 75

~n ~v

dS

Surface de contrˆole, S, d´elimitant le volume de contrˆole V

Figure 7.3. Volume de contrˆoleV C d´elimit´e par la surface de contrˆole SC.

o`u dQ est la chaleur re¸cue par un syst`eme thermodynamique, dW le travail fait par le syst`eme (d’o`u le signe negatif) et dE est le changement dans l’´energie du syst`eme en mou-vement. On peut utiliser ce principe pour ´ecrire l’´equation de la consevation d’´energie pour un fluide en ´ecoulement. En suivant une masse (et donc un syst`eme ferm´e), m, de fluide lors de son mouvement, le premier principe conduit `a

dQ

dt + dW

dt = dE

dt (7.4)

On suppose que le syst`eme thermodynamique est constitu´e de la masse m du fluide qui, `a l’instantto, est contenue dans la volume de controleV C, d´elimit´e par la surface de contrˆole Sc.

Sie d´esigne l’´energie par unit´e de masse, on a alors : Esyst`em =

Z

syst`eme

e dm = Z

syst`eme

e ρdV (7.5)

avec

e= 1

2v2

´ |{z}

Energie cin´etique

+ u

|{z}

Energie interne´

+ gz

|{z}

Energie potentielle´

(7.6)

o`u u est l’´energie interne du syst`eme par unit´e de masse. Notons qu’en g´en´erale e inclue toutes les formes d’´energie.

7.2.2. Deuxi`eme principe de la thermodynamique. Alors que le premier principe de la thermodynamique affirme la consevation de l’´energie mais sans imposer des conditions sur les types d’´echanges possibles ou sur le sens de l’´evolution, le deuxi`eme principe permet de pr´evoire l’´evoultion de syst`eme. Ce principe pose la fondation pour le sens de transfor-mation thermodynamique. Si d ˆS d´esigne le changement de l’entropie du syst`eme ˆS et dQ

la quantit´e de chaleur ´echang´ee `a la temp´erature T, le deuxi`eme principe affirme que

d ˆS ≥ dQ

T (7.7)

L’´equation d’´energie, de la conservation de masse et de quantit´e de mouvement sont `a completer par l’´equation d’´etat du fluide qui s’´ecrit sous la forme

p=p(ρ, T) (7.8)

7.3. L’´equation d’´energie

Pour une masse de fluide en mouvement, dont le volume co¨ıncide avec le volume de contrˆole `a un instant donn´ee, on a selon le th´eor`eme de transport de courant (B.1) :

dE dt = ∂

∂t Z

V C

eρdV + Z

SC

eρ (~v ·~n) dS = dQ

dt +dW

dt (7.9)

La quantit´e du travail re¸cue par un fluide contenu dans un volume mat´eriel (en l’occurrence le volume de contrˆole, V C) par unit´e de temps est constitu´e de la contribution des forces de contraintes

Ws= Z

Sc

~v·(−→−→σ ·~n) dS= Z

V C∇ ·(~v·−→−→σ) dV.

La contribution de contraintes de cisaillement est, en g´en´eral, petite et par cons´equence n´egligeable par rapport au travail fait par la force de pression, ˙Wp, donn´e par

d ˙Wp =−p~v·~ndS =−pvndS (7.10) et par cons´equent

p =− Z

SC

pvndS (7.11)

La chaleurQapport´ee au fluide peut ˆetre seulement importante dans les ´ecoulements avec de transfert thermique. De travail peut ˆetre aussi apport´e au fluide par des machines externes dont la contribution nous notons par ˙Wm par unit´e de temps.

7.4 ´Equation de Bernoulli : ´equation de l’´energie 77 L’´equation d’´energie s’´ecrit alors

Q˙ + ˙Wm+ ˙Wp = ∂

Supposons maintenant que le volume de contrˆole est un tube de courant et les grandeurs comme la densit´e, la vitesse, la pression et d’autres variables sont uniformes `a travers toute section du tube ou sont des valeurs moyennes. Alors, on peut ´ecrire pour un ´ecoulement permanent o`u,ici , S repr´esente la section du tube de courant.

La continuit´e impose (ρvS)1 = (ρvS)2 = ˙m Ainsi, en fonction de valeurs intensives q= ˙Q/m,˙ wm = ˙Wm/m, l’´equation (7.13) s’´ecrit sous la forme˙

7.4. ´Equation de Bernoulli : ´equation de l’´energie

Dans un ´ecoulement incompressible non–visqueux et permanent l’´energie est conserv´ee le long de toute ligne de courant :

1

Travail fait par les|{z}

forces de pression

Dans cette ´equation le fluide est suppos´e parfait et dans cet optique la vitesse est suppos´e uniforme. Mais dans la pratique les fluides r´eels sont visqueux ce qui rend la r´epartition de

vitesse `a travers une section S non uniforme. Pour tenir compte de cette r´epartition une correction de l’´energie cin´etique est effectu´ee.

Z

S

(1

2ρv2)(~v·~n)dS

| {z }

Flux de l’´energie cin´etique `a traversS

=α(ρUS)U2

2 (7.15)

o`uU est la vitesse moyenne `a travers S . On appelle α coefficient de correction de l’´energie cin´etique; α varie donc d’une section `a une autre. Rappelons que pour un ´ecoulement `a un d´ebit constant il est commode en pratique d’´ecrire

v2 2g + p

ρg +z

1

= v2

2g + p ρg +z

2

+Hfrottement−Hpompe+Hturbine (7.16)

CHAPITRE 8